Micro LED顯示原理及其測試方法

作者 : 黃光華、郭俊儀,美商泰瑞達台灣分公司

本文著重於簡介什麼是Micro LED及其顯示的原理與測試方法。

什麼是Micro LED

Micro LED,顧名思義是將LED的結構微型化,移除LED的封裝及基板,使得LED元件的尺寸能從1mm縮小到50μm以下。Micro LED的一大特點,就是移除了LED基板,只留下磊晶薄膜,這提供了Micro LED晶片輕薄短小,可以採用「巨量轉移」 (Mass Transfer) 生產,也能符合各種顯示器的畫素尺寸。

巨量轉移技術是一個關鍵技術,目前市場多用機械式取放(Pick&Place)概念的壓印(Stamp)技術。所謂的取放式壓印技術,簡單來說就是藉助於靜電、凡得瓦力、磁力等方式抓取巨量的Micro LED晶片後轉移至目標背板,目前市場上有幾家廠商採用此技術。機械式取放的壓印製程已經成熟到可以運用在量產。

與此同時,業界也從未停止過對其他巨量轉移技術的研發,以達到更快、更有效率、更有彈性的轉移。雷射轉移技術就是其中一種。顧名思義,雷射轉移是使用雷射束將Micro LED從原始基板快速且大規模轉移到目標基板,其通常步驟由石英、藍寶石等透明基材透過某種中間材料承載元件,再透過雷射照射透明基材作用在中間材料上發生反應,並可採用光學遮罩的方式以實現元件的選擇性轉移Micro LED 顯示器,則是結合了LED微型化與陣列化的技術,將Micro LED晶片以巨量轉移的方式,直接鍵合到含電路結構設計的驅動背板上。一般的LED因為尺寸較大,只能提供大型電視牆使用,而微米級的Micro LED晶片,可適用於手錶、手機、車用、電腦螢幕、電視、AR/VR等各種尺寸與領域的應用。

Micro LED Display的顯示原理

Micro LED Display的顯示原理,係將LED結構設計進行薄膜化、微小化、陣列化,其尺寸僅在1~10μm等級左右;後將Micro LED批量式轉移至電路基板上(含下電極與電晶體),其基板可為硬性、軟性之透明、不透明基板上;再利用物理沈積製程完成保護層與上電極,即可進行上基板的封裝,完成一結構簡單的Micro LED Display。

Micro LED典型結構是一PN接面二極體,由直接能隙半導體材料構成。當上下電極施加一順向偏壓於Micro LED,致使電流通過時,電子、電洞對於主動區(Active region)複合,而發射出單一色光。Micro LED發光頻譜其主波長的半高全寬FWHM僅約20nm,可提供極高的色飽和度,通常可大於120%NTSC。

自2008年後LED光電轉換效率大幅提高,100lm/W以上的LED已成量產之標準。而在Micro LED Display的應用上,為自發光的顯示特性,輔以幾乎無光耗元件的簡易結構,故可輕易達到低能耗(10%~20% TFT-LCD能耗) 或高亮度(1000nits以上) 的顯示器設計。即可解決目前顯示器應用的兩大問題,一是穿戴式裝置、手機、平板等設備,有8成以上的能耗在於顯示器上,低能耗的顯示器技術可提供更長的電池續航力;一是環境光較強(例如戶外、半戶外)致使顯示器上的影像泛白、辨識度變差的問題,高亮度的顯示技術可使其應用的範疇更加寬廣。

圖1:TFT/OLED/Micro LED顯示原理。

如何進行Micro LED IC測試?

由泰瑞達(Teradyne)專為Micro LED顯示測試所研發的Micro LED測試硬體系統,主要由三個主要部分組成:一是6軸機械手臂;其次是微距相機;三為光譜儀(spectrometer)。

2Micro LED測試系統圖。

測試軟體系統包括:

  1. 6軸機械手臂控制系統:控制6軸機械手臂的位移(如圖3);
  2. 光學軟體:包含所有關於相機的光學測試項(如圖4);
  3. 光譜儀量測:光譜儀量測與光譜的顯示(如圖5);
  4. 測試整合軟體IG-XL:將所有的測試項整合一個完整程式並可以加以除錯(如圖6圖7)。

圖3:6軸機械手臂控制系統。  

圖4:相機軟體的光學測試項。

圖5:光譜儀量測出光線的頻譜  。 

圖6:測試軟體整合程式與除錯。環境IG-XL。

  圖7:測試軟體整合程式與除錯的環境IG-XL。

Micro LED顯示的測試項包含:

  1. 波長測試:由5光譜儀量測出待測物所散射出光線之峰值功率波長及線寬(峰值一半功率的頻譜寬度FWHM);
  2. ANSI亮度測試:取9個測試光點來量測光點的亮度及均勻度,讀出的灰階值除以時間而得到亮度多少尼特(nits);
  3. 儲存影像;
  4. 對焦測試;
  5. 光點缺點測試:以2×2的光點驗證每個光點如8亮點順序:上左、上右、下左、下右,最後將這四張圖拼接起來以判斷光點是否有缺陷。

圖8:2×2的光點驗證

Micro LED全面普及關鍵及未來應用

相較於LCD/OLED技術,Micro LED技術在高亮度、高解析度、低功耗、設計靈活性等性能上的優勢明顯,使其廣受AR/VR設備領域的青睞。不過,LCD/OLED技術已經實現大規模量產,而Micro LED目前還面臨不少阻礙量產的難題,如Micro LED的效率會隨著晶片尺寸微縮而衰減。

Micro LED要全面普及,仍有巨量轉移、檢測維修及降低成本三大關鍵需要突破。檢測技術也相當重要,如何在上千萬個Micro LED中,找到故障的Micro LED並維修成為困難之處,透過Micro LED測試系統能夠快速地找到缺陷的光點所在,並快速導入量產。

本文作者:

黃光華,美商泰瑞達台灣分公司副理
郭俊儀,美商泰瑞達台灣分公司經理

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